關(guān)于高海拔地區(qū)500 kV輸電線(xiàn)路防雷保護(hù)的探討

袁春成

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095）

1 項(xiàng)目概況

阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程是繼藏中與昌都電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程之后西藏自治區(qū)又一大型聯(lián)網(wǎng)工程，其起自日喀則市桑珠孜區(qū)已建多林220 kV變電站，途經(jīng)查務(wù)、吉隆500 kV變電站，薩嘎、仲巴、霍爾220 kV變電站，止于阿里地區(qū)噶爾縣新建巴爾220 kV變電站。多林—查務(wù)—吉隆段線(xiàn)路長(zhǎng)約2×488.3 km，采用2個(gè)單回路架設(shè)，除多林變出線(xiàn)段2×20.5 km按220 kV線(xiàn)路建設(shè)外，其余2×467.8 km按500 kV線(xiàn)路建設(shè)，本期降壓至220 kV運(yùn)行。線(xiàn)路整體呈東西走向，途經(jīng)日喀則市桑珠孜區(qū)、薩迦縣、拉孜縣、定日縣、聶拉木縣、吉隆縣，共計(jì)1市6縣（區(qū)），海拔高度為3700～5300 m。線(xiàn)路設(shè)計(jì)基本風(fēng)速29 m/s、33 m/s，設(shè)計(jì)覆冰10 mm。500 kV線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)采用4×JL/G1A-500/45鋼芯鋁絞線(xiàn)，220 kV線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)采用2×JL/G1A-240/30鋼芯鋁絞線(xiàn)。地線(xiàn)一根采用OPGW-120光纜，另一根在變電站進(jìn)出線(xiàn)段采用JLB20A-100鋁包鋼絞線(xiàn)，其余段采用GJ-100鍍鋅鋼絞線(xiàn)。

2 高海拔地區(qū)500 kV輸電線(xiàn)路耐雷水平影響因素及防雷保護(hù)設(shè)計(jì)思路

2.1 耐雷水平影響因素

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外輸電線(xiàn)路運(yùn)行情況及線(xiàn)路耐雷水平的相關(guān)研究來(lái)看，影響線(xiàn)路耐雷水平的因素包括桿塔高度、雷電波入射角、地面傾角、保護(hù)角、檔距、風(fēng)速、絕緣配置方式、工作電壓、土壤電阻率、地形地貌、區(qū)域雷電活動(dòng)情況及輸電線(xiàn)路系統(tǒng)運(yùn)行方式等[1]。

2.2 防雷保護(hù)設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目中，根據(jù)西藏自治區(qū)落雷密度分布圖及沿線(xiàn)各氣象臺(tái)站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，判斷日喀則市地區(qū)及阿里地區(qū)落雷密度為0～0.265次/km2，日喀則雷暴日數(shù)為72.6 d。通過(guò)對(duì)附近運(yùn)行輸電線(xiàn)路進(jìn)行了解，并參考青藏鐵路電源線(xiàn)防雷研究結(jié)論“高原上的雷電強(qiáng)度比平原地區(qū)要弱”，本項(xiàng)目線(xiàn)路防雷保護(hù)可按常規(guī)輸電線(xiàn)路來(lái)進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

相關(guān)研究表明，安裝線(xiàn)路避雷器是目前提升線(xiàn)路耐雷水平的最佳方式，其實(shí)踐效果良好[2]，若本項(xiàng)目全線(xiàn)安裝避雷器，從理論上而言，因雷擊造成的跳閘風(fēng)險(xiǎn)可以降到零。但線(xiàn)路避雷器造價(jià)相對(duì)較高，若全線(xiàn)安裝避雷器，項(xiàng)目成本會(huì)大幅增加，同時(shí)，考慮到本期500 kV線(xiàn)路均降壓至220 kV運(yùn)行，因此，本項(xiàng)目暫不考慮加裝避雷器。經(jīng)綜合分析研究，考慮到單一防雷措施的效果有限，決定在本項(xiàng)目中采用架設(shè)避雷線(xiàn)、縮小避雷線(xiàn)保護(hù)角、桿塔橫擔(dān)上安裝側(cè)向避雷針、加強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)絕緣性能及安裝可控放電避雷針等方式進(jìn)行防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。通過(guò)采用多種防雷保護(hù)措施，不僅可以起到良好的保護(hù)效果，還能有效控制項(xiàng)目成本。

3 高海拔地區(qū)500 kV輸電線(xiàn)路防雷保護(hù)措施

輸電線(xiàn)路防雷保護(hù)設(shè)計(jì)的主要目的是提升線(xiàn)路耐雷水平，將線(xiàn)路跳閘率控制在合理范圍，從而保障輸電線(xiàn)路運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。本項(xiàng)目為新建500 kV輸電線(xiàn)路，但全線(xiàn)均降壓至220 kV運(yùn)行，同時(shí)考慮到全線(xiàn)地形地貌、雷電強(qiáng)度及土壤電阻率等多方面因素，決定采用以下防雷保護(hù)措施。

3.1 架設(shè)避雷線(xiàn)

架設(shè)避雷線(xiàn)是輸電線(xiàn)路防雷設(shè)計(jì)的基本措施。避雷線(xiàn)一般位于塔頂導(dǎo)線(xiàn)之上的位置，可對(duì)導(dǎo)線(xiàn)起到很好的屏蔽作用。高電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路一般架設(shè)雙側(cè)導(dǎo)線(xiàn)，形成對(duì)導(dǎo)線(xiàn)較小的保護(hù)角，能有效屏蔽雷電繞擊。而對(duì)于110 kV及以下電壓等級(jí)，由于桿塔較低且導(dǎo)線(xiàn)與避雷線(xiàn)間距較小，一般架設(shè)單根導(dǎo)線(xiàn)就可以有效防止雷擊。本項(xiàng)目為500 kV高壓輸電線(xiàn)路，因此，采用雙側(cè)避雷線(xiàn)以起到良好的防護(hù)效果。

3.2 桿塔橫擔(dān)上安裝側(cè)向避雷針

在桿塔橫擔(dān)上安裝側(cè)向避雷針是一種施工較為簡(jiǎn)單且具有良好防護(hù)效果的防雷保護(hù)措施，可以有效增加避雷線(xiàn)保護(hù)范圍，進(jìn)一步控制線(xiàn)路繞擊跳閘率。側(cè)向避雷針的作用原理如下：在桿塔橫擔(dān)上安裝側(cè)向避雷針可以強(qiáng)化桿塔引雷能力，相較于線(xiàn)型物而言，避雷針更容易產(chǎn)生迎面先導(dǎo)，進(jìn)而有效攔截下行先導(dǎo)。對(duì)于滲透到較低空間的弱雷，避雷針能夠?qū)ζ溆行?，進(jìn)而防止出現(xiàn)繞擊跳閘情況。

側(cè)向避雷針由桿塔橫擔(dān)端部橫向延伸，對(duì)導(dǎo)線(xiàn)形成負(fù)角保護(hù)，其模型如圖1所示（其中，k為導(dǎo)線(xiàn)至地面的高度；l為避雷線(xiàn)長(zhǎng)度；rs為避雷針保護(hù)球域半徑）。當(dāng)發(fā)生雷擊事故時(shí)，避雷針通過(guò)自身引雷作用，可將原本集中在導(dǎo)線(xiàn)上的繞擊雷引入桿塔，并經(jīng)過(guò)桿塔引到地面，進(jìn)而達(dá)到防護(hù)目的。避雷針?lè)烹娭饕性卺樇獠课唬瑩艟嗲媸且葬樇鉃榍蛐?，以擊距為半徑的球面，即圖1中球體O，由圖可知，球面O與導(dǎo)線(xiàn)的暴露曲面存在交集，按擊距理論，避雷針能屏蔽O內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)暴露曲面，該段導(dǎo)線(xiàn)受到雷擊時(shí)，會(huì)先對(duì)避雷針?lè)烹姡菍?dǎo)線(xiàn)，從而起到良好防護(hù)效果。這種防雷保護(hù)設(shè)計(jì)可有效彌補(bǔ)避雷線(xiàn)的不足，進(jìn)一步提高線(xiàn)路耐雷水平。

圖1 側(cè)向避雷針線(xiàn)路屏蔽模型圖示

3.3 縮小避雷線(xiàn)保護(hù)角

相關(guān)研究表明，500 kV輸電線(xiàn)路繞擊跳閘事故發(fā)生率與避雷線(xiàn)保護(hù)角的關(guān)系如圖2所示，由圖可知，避雷線(xiàn)的保護(hù)角對(duì)于線(xiàn)路繞擊跳閘事故發(fā)生率具有顯著影響，當(dāng)保護(hù)角變化幅度較小時(shí)，線(xiàn)路繞擊跳閘事故發(fā)生率變化不明顯；而隨著保護(hù)角增大，線(xiàn)路繞擊跳閘事故發(fā)生率明顯上升；當(dāng)保護(hù)角為零甚至為負(fù)角時(shí)，避雷線(xiàn)可完全屏蔽線(xiàn)路，即線(xiàn)路繞擊跳閘事故發(fā)生率為零。理論上來(lái)說(shuō)，縮小避雷線(xiàn)的保護(hù)角是增強(qiáng)線(xiàn)路屏蔽效果最為顯著、最為直接的方式，但這需嚴(yán)格論證塔形設(shè)計(jì)，同時(shí)還需增加地線(xiàn)支架寬度，提高桿塔應(yīng)力，從而使得桿塔耗鋼量增加，增加線(xiàn)路架設(shè)成本。本項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)綜合論證分析，決定在全線(xiàn)易擊點(diǎn)及多雷區(qū)的桿塔上采用該設(shè)計(jì)，兼顧技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性，在提升線(xiàn)路耐雷水平的同時(shí)合理控制項(xiàng)目成本。

圖2 避雷線(xiàn)保護(hù)角和線(xiàn)路繞擊跳閘事故發(fā)生率的關(guān)系

3.4 加強(qiáng)線(xiàn)路絕緣性能

設(shè)計(jì)輸電線(xiàn)路時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況考慮增加絕緣子數(shù)量，這種方法可直接降低導(dǎo)線(xiàn)高度，同時(shí)縮小避雷線(xiàn)保護(hù)角，從而達(dá)到防雷保護(hù)目的。

3.5 安裝可控放電避雷針

相關(guān)研究表明，雷云對(duì)地表物體的放電方式有兩種，分別是上行雷閃與下行雷閃，當(dāng)發(fā)生上行雷閃時(shí)，電流幅值相對(duì)較小，平均值在7 kA以下，陡度較低，不超過(guò)5 kA/μs，一般不會(huì)造成繞擊跳閘事故。當(dāng)發(fā)生下行雷閃時(shí)，電流幅值相對(duì)較大，平均值超過(guò)40 kA，且陡度較高，在30 kA/μs以上。上行雷閃所產(chǎn)生的上行先導(dǎo)對(duì)地表物體能夠起到屏蔽作用，從而降低雷云放電時(shí)物體上的感應(yīng)過(guò)電壓。而可控放電避雷針正是利用該原理，使避雷針的針尖所處電場(chǎng)強(qiáng)度在特定條件下極高，從而快速產(chǎn)生放電脈沖，引發(fā)上行雷閃放電，而上行雷閃不會(huì)造成繞擊跳閘事故，即可達(dá)到保護(hù)線(xiàn)路目的?？煽胤烹姳芾揍樉哂幸韵聝煞矫嫣匦裕海?）可控放電避雷針在線(xiàn)路系統(tǒng)上可形成一個(gè)范圍較大且基本不會(huì)受到繞擊的區(qū)域，可顯著降低線(xiàn)路繞擊跳閘事故發(fā)生率；（2）可控放電避雷針接地電阻較小，在安裝時(shí)可直接利用桿塔接地裝置，不需新增接地裝置，可節(jié)約部分成本。

3.6 合理控制線(xiàn)路檔距

當(dāng)桿塔受到雷擊時(shí)，雷電波會(huì)沿著導(dǎo)線(xiàn)傳播，從桿塔傳播到塔基需要一定時(shí)間，因此，若線(xiàn)路檔距不同，則對(duì)線(xiàn)路的耐雷水平也會(huì)產(chǎn)生不同影響。當(dāng)線(xiàn)路檔距較小時(shí)，由于避雷線(xiàn)向相鄰桿塔分流的雷電流較多，線(xiàn)路避雷器殘壓對(duì)相鄰桿塔上絕緣子串作用電壓能夠形成鉗制作用，因此，線(xiàn)路耐雷水平處于較高狀態(tài)；當(dāng)線(xiàn)路檔距增加時(shí)，避雷線(xiàn)的分流作用明顯下降，無(wú)法及時(shí)分流雷電流，同時(shí)，鉗制作用也明顯減弱，因此，線(xiàn)路耐雷水平受到明顯影響。綜上所述，合理控制線(xiàn)路檔距也能在一定程度上保障線(xiàn)路耐雷水平，降低繞擊跳閘事故發(fā)生率，保護(hù)輸電線(xiàn)路運(yùn)行安全。

3.7 其他措施

其他線(xiàn)路防雷保護(hù)措施主要包括以下方面：（1）全線(xiàn)架設(shè)雙地線(xiàn)作為防雷保護(hù)措施之一，單回路鐵塔地線(xiàn)對(duì)邊導(dǎo)線(xiàn)的保護(hù)角不大于10°；（2）2根地線(xiàn)間的距離不超過(guò)導(dǎo)線(xiàn)和地線(xiàn)間垂直距離的5倍；（3）檔距中央導(dǎo)線(xiàn)與地線(xiàn)間的距離為S，在15℃無(wú)風(fēng)時(shí)滿(mǎn)足下式要求：S≥0.015L+1（L為檔距長(zhǎng)度，m）。而且該距離值不宜太大，以免雷暴繞擊導(dǎo)線(xiàn)事故上升。

4 高海拔地區(qū)500 kV輸電線(xiàn)路防雷保護(hù)經(jīng)濟(jì)性分析

本項(xiàng)目全線(xiàn)呈東西走向，途經(jīng)日喀則市桑珠孜區(qū)、薩迦縣、拉孜縣、定日縣、聶拉木縣、吉隆縣，共計(jì)1市6縣（區(qū)），海拔高度3700～5300 m，地形比例為河網(wǎng)2.1%，平地13.3%，丘陵16.5%，山地39.8%，高山18.3%，峻嶺10.1%。項(xiàng)目整體施工難度較大，需投入大量資金，因此，線(xiàn)路防雷保護(hù)設(shè)計(jì)方案要在確保防護(hù)效果的基礎(chǔ)上兼顧經(jīng)濟(jì)性。由于本項(xiàng)目為安裝避雷器，全線(xiàn)以雙側(cè)避雷線(xiàn)為主要防類(lèi)措施，同時(shí)采用了多種防雷保護(hù)措施，在易擊點(diǎn)以及多雷區(qū)通過(guò)在桿塔橫擔(dān)上安裝側(cè)向避雷針提高保護(hù)力度，有效控制了線(xiàn)路繞擊跳閘故障發(fā)生率，保障了線(xiàn)路運(yùn)行安全。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雷害作為目前威脅輸電線(xiàn)路運(yùn)行安全的主要因素，為確保線(xiàn)路安全，需采取多種防護(hù)措施，高海拔地區(qū)相較于普通地區(qū)具有一定特殊性，因此，在線(xiàn)路防雷保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮多方面因素，全面提升線(xiàn)路耐雷水平。